MIT的一個研究小組找到了一種直接測量基礎(chǔ)的電荷轉(zhuǎn)移速率的方法，并在此過程中有了驚人的發(fā)現(xiàn)。

圖片由Peng Pai與Martin Bazant提供圖中LiFePo4為磷酸鐵鋰，LiPF6為六氟磷酸鋰

雖然電池的多孔電極中的電化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)被理論家們描述過了，但是它卻從來沒被直接測量過?，F(xiàn)在，MIT的一個團隊已經(jīng)找到了一種方法來直接測量基礎(chǔ)的電荷轉(zhuǎn)移速率——并有驚人發(fā)現(xiàn)。

這項研究發(fā)現(xiàn)，通常被用于描述電極中的反應(yīng)速率的Butler-Volmer方程并不精確，尤其是在高電壓水平上。反之，另一個叫做Marcus-Hush-Chidsey電荷轉(zhuǎn)移原理的方法卻得出了更加接近實際的結(jié)果——它揭示出這些反應(yīng)中限制性的一步并不是我們以前所認(rèn)為的那樣。

這些新發(fā)現(xiàn)能夠幫助工程師們設(shè)計更好的電極以更提高電池的充電與放電速度，并有助于進一步了解電化學(xué)過程，比如如何控制腐蝕。這項工作本周由MIT的博士后Peng Bai與化學(xué)工程數(shù)學(xué)教授Martin Bazant發(fā)表在了《自然通訊》雜志上。

以前的工作是基于這樣一個假設(shè)：由磷酸鐵鋰——被廣泛用在鋰離子電池中——制成的電極的性能主要受限于鋰離子能以多快的速度從液態(tài)電解質(zhì)中擴散到固態(tài)的電極中。但是這份新的分析顯示其中關(guān)鍵的接觸面實際上是在兩種固態(tài)材料即電極本身和用于提高性能的碳涂層之間。

受限于電子的轉(zhuǎn)移

Bai和Bazant的分析顯示在固體和液體里的兩個轉(zhuǎn)移步驟——電解質(zhì)中的離子遷移和被稱為極化子的“準(zhǔn)粒子”的擴散——都是相當(dāng)快的，因此并不會限制電池的性能。“我們證明了反應(yīng)速率實際上是由在兩種固體間的接觸面上轉(zhuǎn)移的電子，而非離子所決定的?！盉ai說到。

Bazant說，盡管已經(jīng)對磷酸鐵鋰做了大量的研究，但是研究者們并沒懷疑過這種材料的電化學(xué)反應(yīng)可能是受限于兩種固體材料間的電子轉(zhuǎn)移的?！斑@為我們展現(xiàn)了關(guān)于這種材料的一個全新的局面；這個理論還從來沒被提及過”他說到。

出乎意料地低的反應(yīng)率

例如，被用于預(yù)測這類材料性能的各種方程式曾指出，當(dāng)電壓升高時，反應(yīng)速率的對數(shù)應(yīng)呈線性變化——但是各種實驗卻得到了一個非線性的反應(yīng)，鋰的攝取率在高電壓時變平了。差別非常明顯， Bazant說：“我們發(fā)現(xiàn)反應(yīng)速率要比預(yù)測的結(jié)果低得多”。

這項新的分析意味著，要想再度改進這項技術(shù)，重點應(yīng)該放在“如何處理” 兩種固體材料接觸處的那個“表面”，Bai說到。

Bazant補充道，這種新的認(rèn)識的影響可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不僅限于電極的設(shè)計，因為這個團隊所發(fā)現(xiàn)的這個基礎(chǔ)過程同樣存在于其他電化學(xué)過程如電沉積、腐蝕及燃料電池中?！八鼘A(chǔ)科學(xué)也很重要”， 他說到，“因為這個過程無處不在但人們又對它知之甚少”。

BV方程純粹是經(jīng)驗性的，并且“它也沒告訴你任何在微觀上所發(fā)生的事情” Bazant說。與之相反，Marcus-Hush-Chidsey方程組——加州理工學(xué)院的Rudolph Marcus因此獲得了1992年的諾貝爾化學(xué)獎——是基于對原子級的活動的一種精確的理解。因此，Bazant認(rèn)為，這項新的分析不僅可以帶領(lǐng)我們找到新的實際的解決方案，還可以讓我們對底層的機制有更深的認(rèn)識。

并未參與這項工作的斯坦福大學(xué)的副教授Christopher Chidsey說這項研究“理論充分有據(jù)且有實驗新意”。他說確定這些反應(yīng)的速率“不僅非常基礎(chǔ)，而且在如小汽車、卡車和客車的牽引電池等大功率的應(yīng)用上有著直接的實用價值”。